TEKNIK, 42 (2), 2021, 236-240
doi: 10.14710/teknik.v42i2.39108             Copyright © 2021, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919
Studi Eksperimental Pengaruh Jumlah Sudu terhadap Unjuk Kerja

## Pico Bulb Turbine Aliran Horisontal
Dwi Aries Himawanto 1* , Akhmad Nurdin 2 , Hasan Bisri 3
1 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret, Jl. Ir Sutami No.36 A, Surakarta, Indonesia 57126
2 Program Studi Teknologi Pengecoran Logam, Politeknik Manufaktur Ceper, Batur, Tegalrejo, Ceper, Klaten, Indonesia 57465
3 Jurusan Otomotif, SMKN 1 Sine Ngawi, Jl. Tegari No.Km. 05, Sine, Ngawi, Indonesia 63264

## Abstrak
Pada penelitian ini, dibahas pengaruh jumlah sudu terhadap peforma turbin propeller aliran horisontal pada  skala  kecil  secara  eksperimental.  Saat  ini  perkembangan  turbin air  skala  kecil  mengalami  banyak kemajuan,  termasuk  turbin  air  dengan  aliran  horisontal.  Turbin  air  pada  aliran  horisontal  dapat diaplikasikan  pada  saluran  irigasi,  saluran  sistem  perpipaan,  saluran  instalasi  pengolahan  air  limbah, dan  saluran-saluran  tertutup  lainnya.  Pengukuran  dynamic  head  pada  aliran  horisontal  berdasarkan nilai  pressure  drop  atau  perbedaan  tekanan  sebelum  dan  sesudah  turbin.  Bulb  statis  yang  diletakkan sebelum turbin bertujuan meningkatkan kecepatan aliran air dan berpotensi meningkatkan kinerja turbin. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu  terhadap peforma dan efisiensi turbin propeller.  Kemiringan  sudu  yang  digunakan  20 0 dengan  bulb  ratio  0,6  terhadap  diameter  pipa.  Variasi jumlah sudu yang digunakan 4, 5, 6, dan 7 buah dengan masing-masing diuji pada debit 7 L/s, 9 L/s, 11 L/s,  dan  13  L/s.  Hasil  penelitian  ini  menunjukkan  jumlah  sudu  5  dengan  debit  13  L/s  menghasilkan peforma turbin terbaik dibandingkan dengan jumlah sudu lainnya, selain itu jumlah sudu 5 dengan debit 13 L/s menunjukkan nilai efisiensi terbaik sekitar 40%.
Kata kunci : propeller; jumlah sudu; dynamic head; bulb

## Abstract
[Title: Experimental study of the Effect of the Blades of Number on Characteristics Pico Bulb Turbine on Horizontal  Flow] This  study  discusses  the  effect  of  the  number  of  blades  on  a  horizontal  flow  propeller turbine  performance  on  a  small  scale  experimentally.  The  development  of  small-scale  water  turbines  has made many advances, including water turbines  with the horizontal flow.  Water turbines in horizontal flow can  be  applied  to  irrigation  systems,  piping  systems,  the  wastewater  treatment  channel,  and  other  closed channels. Pengukuran dynamic  head pada  aliran  horisontal  berdasarkan  nilai pressure  drop atau perbedaan tekanan sebelum dan sesudah turbin. Dynamic head measurement on the horizontal flow is based on pressure drop values or pressure before and after the turbine. Static bulbs placed before the turbine aim to  increase  the  speed  of  water  flow  and  potentially  improve  turbine  performance.  This  study  aims  to determine  the  effect  of  the  number  of  blades  on  the  performance  and  efficiency  of  propeller  turbines.  The blade angle used is 200 with a bulb ratio of 0.6 to the pipe diameter. The variations in the number of blades used were 4, 5, 6, and 7, with each tested at 7 L / s, 9 L / s, 11 L / s, and 13 L / s. The results of this study indicate the number of blades 5 with a discharge of 13 L / s shows the best turbine performance compared to the number of other blades, besides that the number of blades 5 with a flow rate of 13 L / s shows the best efficiency value of around 40%.
Keywords : propeller;  number  of  blades;  dynamic head; bulb ------------------------------------------------------------------
*) Penulis Korespondensi. E-mail: dwiarieshimawanto@gmail.com
doi: 10.14710/teknik. v42i2.39108             Copyright © 2018, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919
Gambar 1 . Bulb ratio 0,6 (Nurdin 2020)
Gambar 2 . Variabel jumlah sudu
1. Pendahuluan Berkembangnya isu tentang pencemaran lingkungan  karena  polusi  yang  berasal  dari  bahan  bakar fosil.  Ketersediaan  bahan  bakar  fosil  yang  semakin menipis  menunjang  penggunaan  energi  terbarukan menggantikan  energi  fosil  (Gokhale dkk. ,  2017).  Banyak penelitian  tentang  energi  terbarukan  telah  dilakukan  dan dapat  diaplikasikan  secara  langsung  oleh  masyarakat, seperti pemanfaatan energi dari biomasa (Aghamohammadi dkk. ,  2011),  pembangkit  energi  dari angin  (Kumar dkk. ,  2016),  pemanfaatan  energi  biogas sebagai  campuran  bahan  bakar  motor  bakar  (Nurdin  & Himawanto, 2018), dan pemanfaatan energi air pada head rendah (Nurdin & Himawanto, 2018).
Indonesia  merupakan  wilayah  dengan  kekayaan sumber  daya  alam,  salah  satunya  air  (Erinofiardi dkk. , 2017)  yang  bersifat  bebas  polusi,  ramah  lingkungan  dan tersedia  secara  berkelanjutan  (Alnakhlani dkk. ,  2015). Potensial  energi  air  di  Indonesia  mencapai  75000  MW, namun baru 9%  yang  termanfaatkan  sebagai pembangkit listrik  dalam  skala  besar  maupun  kecil  (Nurdin dkk. , 2019).
Pada  pembangkit  listrik  skala  kecil  tidak diperlukan membangun konstruksi pekerjaan sipil, seperti membuat  bendungan,  sehingga  proses  pembuatan  dan perawatannya relatif lebih mudah dan murah dibandingkan pembangkit listrik skala besar (Himawanto dkk. , 2017). Dalam  skala paling  kecil, pembangkit  listrik tenaga  air  sering  disebut pico  hydro dengan  daya maksmum yang dapat dihasilkan sebesar 5 kW (Nurdin & Himawanto,  2019).  Dalam  aplikasinya, pico  hydro dapat memanfaatkan  atau  sistem  aliran  air,  misalnya  sungai kecil,  saluran  irigasi,  saluran  Instalasi  Pengolahan  Air Limbah (IPAL) sampai stasiun pompa air.
Ramos dkk. (2013)  melakukan  pengujian  secara eksperimntal  aliran  dalam  pipa  horisontal  menggunakan turbin propeller dengan  saluran downstream berbentuk elbow. Samora dkk. (2016)  melakukan  penelitian  secara eksperimental aliran dalam pipa horisontal dengan saluran downstream berbentuk curve 450  menggunakan  turbin propeller dengan  penambahan bulb dinamis  pada  ujung turbinnya.
(Chen dkk. ,  2014)  menyatakan  penggunaan  bulb statis  pada  aliran  dalam  pipa  secara  numerik  mampu meningkatkan  kecepatan  aliran  air,  dan  berpotensi
meningkatkan  peforma  turbin propeller. Nurdin  (2020) melakukan  pra-studi  dalam  penelitian  eksperimental untuk menentukan bulb ratio . Bulb ratio 0,6 menunjukkan  nilai  torsi  yang  lebih  tinggi  dibandingkan dengan  metode  numerik  pengaruh  dengan bulb  ratio 0,
0,4,  dan  0,8.  Sedangkan  karakteristik  dan  kinerja  turbin propeller juga  dipengaruhi  oleh  parameter  dan  geometri internalnya  (Singh  &  Nestmann,  2010).  Pada  aliran vertikal  salah  satu  geometri  yang  mempengaruhi karakteristik dan kinerja turbin adalah jumlah sudu (Singh & Nestmann, 2011).
Tujuan penelitian ini adalah menganalisis bagaimana pengaruh jumlah sudu terhadap kinerja turbin propeller dengan pemberian bulb statis dengan pengujian eksperimental. Pada penelitian ini juga dilakukan analisis terhadap perubahan nilai dari head , daya air, daya poros, dan efisiensi. Orisinalitas penelitan ini  terletak pada bulb ratio yang  digunakan  dalam  penelitian,  yang  dikaitkan dengan  pengaruh  variasi  jumlah  sudu  turbin  tersebut terhadap unjuk kerja turbin air pico hydro yang dianalisis.
2. Metode dan Bahan Desain  rasio pipa/ tubular aliran  horisontal  pada penelitian  ini  mengacu  kepada  Zhu dkk. (2012).  Desain bulb statis  yang  digunakan  pada  peneltian  ini  mengacu pada penelitian Nurdin (2020), dengan menggunakan bulb ratio 0,6 terhadap diameter pipa, seperti yang ditunjukkan Gambar  1.  Bentuk  dan  koordinat  sudu  mengacu  pada penelitian  Ramos dkk. (2013),  dan  diameter  poros mengacu pada penelitian Samora dkk. (2016). Sedangkan kemiringa  sudu  yang  digunakan  20 0 .  Gambar  2 menunjukkan  bentuk  turbin  dan  variabel  jumlah  sudu  4 sampai 7 buah.
Skema uji  tes rig ditunjukkan Gambar 3, dengan mengukur  tekanan  berdasarkan  beda  ketinggian  sebelum dan  sesudah  turbin  menggunakan U  manometer .  Setiap variasi turbin diuji pada debit 7 L/s, 9 L/s, 11 L/s, dan 13 L/s.Perhitungan  nilai head mengacu  pada  penelitian Samora dkk. (2016),  yaitu  berdasarkan  nilai pressure drop atau  perbedaan  tekanan  sebelum  dan  sesudah turbin yang ditunjukkan pada persamaan (1).
g P P = Head  2 1  (1)
Sedangkan  daya  hidrolik  air  (P water ),  daya  poros
doi: 10.14710/teknik. v42i2.39108             Copyright © 2018, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919
(P shaft ),  dan  efisiensi  (%)  secara  berturutan  ditunjukkan Persamaan 2, 3 dan 4.
gh Q = Pwater 
(2)
60 2 nT = Pshaft 
(3)
% 100 x Pwater Pshaft = Efisiensi (4)
dimana P 1 adalah tekanan sebelum turbin (Pa), P 2 adalah tekanan  sebelum  turbin  (Pa), Q adalah  debit  (m 3 /s), ρ adalah massa jenis air dengan nilai 1000 kg/m 3 , g adalah percepatan  gravitasi  dengan  nilai  9,81  m/s 2 , n adalah putaran poros (rpm), dan T adalah nilai torsi (Nm).

## 3. Hasil dan Pembahasan
Hasil  uji  eksperimental  penelitian  ini  ditunjukkan melalui  Gambar  4  sampai  Gambar  8.  Dari  hasil  tersebut dapat  dianalisa  nilai  head,  daya  air  dan  daya  poros. Gambar  4  menunjukkan  semakin  banyak  jumlah  sudu maka secara perlahan nilai head semakin naik. Singh dan Nestmann  (2011)  menyatakan  jumlah  sudu  pada  turbin propeller mempengaruhi  jarak  antar  sudu,  sedangkan jarak antar sudu akan mempengaruhi tekanan air sebelum dan  sesudah  turbin.  Kurniawan dkk. (2019)  menyatakan tekanan  air  sebelum runner semakin  meningkat  seiring dengan  jumlah  sudu.  Pada  jumlah  sudu  7,    jarak  antar sudu  semakin  rapat  dibandingkan  jumlah  sudu  lainnya dan menghambat aliran air, sehingga tekanan air sebelum
turbin  (P1)  semakin  meningkat  dan  tekanan  air  (P2) sesudah turbin semakin menurun. Berdasarkan Persamaan 1, semakin naik nilai P1 dan semakin turun nilai P2, maka head akan  semakin  naik.  Sedangkan  Gambar  5 menunjukkan  hubungan  antara  jumlah  sudu  dengan  nilai daya air, dengan tren grafik yang sama dengan gambar 4. Persamaan  2  menunjukkan  nilai  daya  air  searah  dengan nilai head , sehingga semakin tinggi nilai head maka nilai daya  air  akan  semakin  naik.  Pada  penelitian  ini,  jumlah sudu  7  buah  menghasilkan  nilai  daya  air  tertinggi dibandingkan jumlah sudu lainnya.
Gambar  6  menunjukkan  hubungan  antara  jumlah sudu dengan angular velocity atau kecepatan putar poros. Grafik tersebut menunjukkan nilai kecepatan putar paling optimal  terjadi  pada  jumlah  sudu  5,  kemudian  secara perlahan turun pada jumlah sudu 6 dan 7 buah. Singh dan Nestmann  (2011)    menyatakan  pada  jumlah  sudu  6  gaya aksial  yang  diterima  lebih  besar  dibandingkan  jumlah sudu 5 namun gaya tangensial yang dihasilkan lebih kecil dibandingkan  jumlah  sudu  5.  Penurunan  gaya  tangensial ini  disebabkan  jarak  antar  sudu  pada  jumlah  sudu  6 semakin rapat yang menyebabkan aliran air terhambat dan berakibat  semakin  menurunnya  putaran  poros.  Pada penelitian ini, jumlah sudu 6 jarak antar  sudu lebih rapat dibandingkan  jumlah  sudu  5  dan  semakin  merapat  pada jumlah sudu 7, sehingga aliran air setelah jumlah sudu 5 semakin terhambat yang berakibat semakin menurunnya putaran poros. Namun,  pada jumlah sudu 4 buah   nilai kecepatan  poros  lebih  rendah  dibandingkan  dengan jumlah  sudu  5.  Kurniawan dkk. (2019)  menyatakan semakin  banyak  jumlah  sudu  maka  gaya  aksial  yang
Gambar 3 . Uji tes rig
doi: 10.14710/teknik. v42i2.39108             Copyright © 2018, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919
diterima oleh runner akan naik. Pada penelitian ini jumlah sudu 5 buah menerima gaya aksial dari daya air lebih besa dibandingkan jumlah sudu 4, dan aliran air yang melewati jumlah sudu 4 maupun 5 tidak terhambat yang disebabkan kerapatan jarak antar sudunya.
Gambar  7  menunjukan  hubungan  antara  jumlah sudu  dengan  daya  poros  yang  mampu  dihasilkan  denga tren grafik yang sama dengan grafik angular velocity atau kecepatan putar poros. Persamaan 3 menunjukkan dengan nilai pembebanan  yang  sama  atau  nilai  torsi  yang serupa
Gambar 4 Hubungan jumlah sudu dan head velocity
Gambar 6. Hubungan jumlah sudu dan angular velocity
Gambar 5. Hubungan jumlah sudu dan daya air
Gambar 7. Hubungan jumlah sudu dan daya poros
Gambar 8. Hubungan jumlah sudu dan efisiensi
maka nilai daya poros akan  sebanding dengan  nilai daya porosnya,  sehingga  semakin  tinggi  nilai angular  velocity maka nilai daya poros akan semakin naik.
Nilai  efisiensi  merupakan  kemampuan  turbin dalam  mengkonversi  daya  hidrolik  air  yang  tersedia, Gambar 8 menunjukkan pada jumlah sudu 4 dan 5 turbin mampu mengkonversi daya hidrolik air sekitar 40%, dan akan semakin menurun pada jumlah sudu 6 dan  7 dengan nilai  efisiensi  masing-masing  sekitar  30%  dan  20%. Penurunan nilai efisiensi pada jumlah sudu 6 dan semakin menurun pada jumlah sudu 7 disebabkan tidak mampunya turbin  mengkonversi  nilai  daya  hidrolik  air  (Gambar  5) menjadi daya poros (Gambar 7) dengan baik.
Selain  itu,  penelitian  ini  juga  menunjukkan semakin  besar  debit  air  sampai  13  L/s,  maka  nilai performa  dan  efisiensi  turbin  akan  semakin  naik. Persamaan 2 menyatakan nilai daya hidrolik air sebanding dengan  nilai  debit  air,  sehingga  semakin  besar  debit  air, maka daya hidrolik air akan semakin besar pula. Samora dkk. ,  (2016)  dan  Kurniawan dkk. (2019)  menyatakan semakin  besar  debit  air  maka  gaya  aksial  air  yang menumbuk  setiap  sudu  pada  turbin  akan  semakin  naik sehingga kinerja turbin semakin naik.

## 4. Kesimpulan
Dari  hasil  pengembilan  data  dan  pembahasan menunjukkan  bahwa  jumlah  sudu    5  menunjukkan peforma  turbin  paling  optimal  dibandingkan  jumlah sudu  lain,  dengan  nilai  efisiensinya  mencapai  sekitar 40%, dari hasil tersebut datas, turbin air turbin propeller pada  aliran  horisontal  dengan  sudu  berjumlah  5 dipandang  layak  untuk  dlakukan scale  up guna diaplikasikan di masyarakat.

## Daftar Pustaka
Aghamohammadi, N., Sulaiman, N. M. N., & Aroua, M.
K.  (2011).  Combustion  characteristics  of  biomass in  SouthEast  Asia. Biomass  and  bioenergy , 35 (9), 3884-3890.
Alnakhlani, M. M., Mukhtar, D. A., Himawanto, A. A., & Danardono,  D.  (2015).  Effect  of  the  bucket  and nozzle  dimension  on  the  performance  of  a  pelton water  turbine. Modern  Applied  Science , 9 (1),  25- 33.
Chen,  Z.,  Kim,  J.  C.,  Im,  M.  H.,  &  Choi,  Y.  D.  (2014). Analysis on the performance and internal flow of a tubular  type  hydro  turbine  for  vessel  cooling system. Journal  of  the  Korean  Society  of  Marine Engineering , 38 (10), 1244-1250.
Gokhale,  P.,  Date,  A.,  Akbarzadeh,  A.,  Bismantolo,  P., Suryono,  A.  F.,  Mainil,  A.  K.,  &  Nuramal,  A. (2017).  A  review  on  micro  hydropower  in Indonesia. Energy Procedia , 110 , 316-321.
Himawanto,  D.A.,  Tjahjana,  D.  D.  D.  P.,  &  Hantarum.
(2017).  Experimental  Study  on  Optimization  of Curvature Blade Impeller Pump as Turbine Which Functioned as Power Plant Picohydro. Nternational  Conference  on  Engineering,  Science and  Nanotechnology  2016  (ICESNANO  2016) 030008 (January).
Kumar, Y., Ringenberg, J., Shekara, S., Devabhaktuni, V. K., Woo, J., Nikolaidis, E., Andersen, B. & Afjeh, A.  (2016). Wind  Energy :  Trends  and  Enabling Technologies , 53: 209–24.
Kurniawan,  R.,  Himawanto,  D.  A.,  &  Widodo,  P.J. (2019).  The  Performance  of  Numbers  of  Blade towards  Picohydro  Propeller  Turbine. TICATE 2018,  3–8.  IOP  Conf.  Series:  Materials  Science and Engineering , 508.
Nurdin,  A.  &  Himawanto,  D.  A.  (2018a).  Review Aplikasi  Bahan  Bakar  Biogas  Pada  Motor  Bakar Si ( Spark Ignition ). Simetris, 9(2): 797–802. Nurdin, A. & Himawanto, D.A. (2018b).  Kajian Teoritis Uji  Kerja  Turbin  Archimedes  Screw  pada  Head Rendah. Simetris, 9(2): 783–96. Nurdin,  A., & Himawanto, D. A ( 2019). Studi Numerik Kekuatan  Material  Transmisi  Roda  Gigi  Pico Hydro. JTMI 14(1): 24–29.
Nurdin,  A.  (2020).  Studi  eksperimental  pengaruh  jumlah sudu  dan  kemiringan  sudu  terhadap  peforma tubular  bulb  turbin  aliran  horisontal. Tesis. Universitas  Sebelas Maret, Surakarta.
Ramos,  H.M.,  Simão,  M.,  &  Borga,  A.  (2013) Experiments  and  CFD  Analyses  for  a  New Reaction  Microhydro  Propeller  with  Five  Blades. Journal of Energy Engineering, 139(2): 109–17. Samora,  I.,  Hasmatuchi,  V.,  Münch-Alligné,  C.,  Franca, M.J.,  Schleiss,  A.  J.,  &  Ramos,  H.M.  (2016) Experimental  Characterization  of  a  Five  Blade Tubular  Propeller  Turbine  for  Pipe  Inline Installation. Renewable Energy, 95: 356–66. Singh, P., & Nestmann, F . (2010). Exit Blade Geometry and  Part-Load  Performance  of  Small  Axial  Flow Propeller Turbines : An Experimental
Investigation. Experimental  Thermal  and  Fluid Science, 34(6): 798–811.
Singh,  Punit,  &  Nestmann,  F.  (2011).  Experimental Investigation  of  the  in  Fl  Uence  of  Blade  Height and  Blade  Number  on  the  Performance  of  Low Head  Axial  Fl  Ow  Turbines. Renewable  Energy 36(1): 272–81.
Zhu, L., H. P. Zhang, J. G. Zhang, X. C. Meng, & L. Lu. (2012).  Performance  of  a  Bulb  Turbine  Suitable for  Low  Prototype  Head:  Model  Test  and Transient  Numerical  Simulation. IOP  Conference Series:  Earth  and  Environmental  Science 15 (PART 4).